一种光电传感装置制造方法

一种光电传感装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种光电传感装置。包括准直单元、分光单元、光电传感单元、电信号处理单元，所述分光单元位于准直单元出射光的一侧，光电传感单元位于分光单元出射光的一侧，电信号处理单元与光电传感单元电连接，本发明采用半导体集成电路工艺生产，器件体积小，集成度高，具有较高的可靠性，结构简单，配置灵活，适应范围广。
【专利说明】一种光电传感装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电传感技术，具体涉及光谱检测技术，特别是检测光束中不同波长 光谱强度的光电传感技术，适用于各种光源及发光体的自发光、各种物体的反射光及透射 光的光谱特征检测及分析，可广泛应用于工业控制、日常生活以及科学研究中光谱数据取 得与记录。

【背景技术】
[0002] 自然界中光束通常都不是单一波长光谱组成的，而是由多波长光谱组成的，这种 不同波长不同强度的光谱分布反应了该光束及光束来源物质的许多重要信息。比如看似相 同的白光，但是从不同光源发出来的白光，人眼的感觉并不相同，其原因就是不同光源具有 不同的特征光谱。太阳光经过大气层的吸收和粉尘颗粒的散射之后，透过常规建筑玻璃的 光谱分布见图la。可以看出，自然光的最重要特种就是连续从到波长的蓝光到长波长的红 外光波谱分布。图lb、图lc、图Id同时列出了目前几种主要的人工照明光源，白炽灯，荧光 灯，以及开始进入照明领域的白光LED。每种人工光源总是对应一定的光谱特征曲线，都有 比较固定的特征峰，是光源的固有特征。通过测定这些特征光谱，有助于建立一种简单实用 节能的自适应调光方法，如专利CN200810042059. 1所揭示的技术方案。这些光源所发出的 光经过不同物质吸收后所得到的反射、折射或透射光，与原来入射光的光谱分布会有所不 同，这些改变的光谱强度分布也和光源的特征光谱一样蕴含有大量物质信息，反映物质特 性。因此，通过测定这些光谱信息有助于得到光束所经过物质的物理、化学、生物学等特性， 具有重要的理论和实用意义。
[0003] 光谱传感技术是以获得特定光束中所含有的不同波长光强度，通常都是经由多组 棱镜分光、然后通过移动的光电传感单元的方法获得光谱分布。该技术具有非常高的分辨 率，但结构复杂、装置体积大、不方便移动，主要用在实验室及大型装备中。为了方便快速地 获得光谱分布，人们更多地采用基于带通滤波器来作为选取特定范围光谱的光谱强度，如 W02011/045722、W02008/012715、W02009/075487所述的光谱传感器，都是基于滤光而获取 所需要的光谱。然而该种方法由于光线要通过滤色片吸收，光强损失率高。加上滤色片的 带宽不可能做得很窄，系统很难得到高的分辨率。而且每段不同的频率光谱需要不同的滤 波器，使用也不是很方便。
[0004] 本发明在研究各种分光器件及光谱检测技术的基础上，发明了一种基于准直器、 分光器和光电传感器的光谱传感装置。


【发明内容】

[0005] 本发明的目的是提供一种光电传感装置，能方便地得到较高分辨率的入射光束光 谱分布，采用半导体集成电路工艺生产，器件体积小，集成度高，具有较高的可靠性，结构简 单，配置灵活，适应范围广。本发明能将入射光线中的不同波长光谱得到分光，光电传感器 探测分开后各光谱强度，所得到的电信号经过处理后，即可得到入射光的强度在不同波长 的分布。
[0006] 为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：
[0007] 本发明的一种光电传感装置，包括准直单元、分光单元、光电传感单元、电信号处 理单元，其中：
[0008] 准直单元用于将带分析的方向的杂散入射光转换成平行的入射光；
[0009] 分光单元用于将经过准直单元的平行复合光谱分解为按波长长短排列的单色光 谱；
[0010] 光电传感单元用于将分光单元分光后的光谱从光信号转换为电信号；
[0011] 电信号处理单元用于将由光电传感单元检出的电信号转换成能为后续器件使用 或识别的电信号，并传送出光电传感装置之外；后续器件可以采用控制器、微处理器、计算 机或光谱显示器。
[0012] 所述分光单兀位于准直单兀出射光的一侧，光电传感单兀位于分光单兀出射光的 一侧，电信号处理单兀与光电传感单兀电连接。
[0013] 其中，所述所述准直单元包括狭缝准直器、透镜、或者由狭缝准直器、透镜组合。
[0014] 其中，所述分光单兀由三棱镜、分光光栅、或者棱栅（grism)构成。
[0015] 其中，所述光电传感单兀由若干个平行排列的光电传感器组成。
[0016] 其中，所述光电传感单元是由集成电路生产工艺生产的集成型光电传感器。
[0017] 其中，所述电信号处理单元在对电信号进行转换后，通过有线或无线的方式传送 出光电传感装置之外。
[0018] 其中，所述电信号处理单元通过集成电路生产工艺生产，集成了信号转换和传送 功能。
[0019] 其中，所述光电传感单元和电信号处理单元由集成电路生产工艺生产完成，单一 芯片上集成了光电传感单元和电信号处理单元。
[0020] 其中，所述准直单元是由吸收光的材料做成的一组相互平行的薄板组成，该准直 单元能吸收入射光中偏离平行入射方向的光。
[0021] 由于采取了以上技术方案，本发明有如下优点：
[0022] 1)通过准直单元和分光单元，配以待测光谱范围响应好的光电传感单元，可以方 便得到较高分辨率的入射光束光谱分布。
[0023] 2)本发明所光电传感单元和电信号处理单元都采用半导体集成电路工艺生产，器 件体积小，集成度高，具有较高的可靠性。
[0024] 3)本发明的光电装置结构简单，配置灵活，适应范围广。该装置既可以用于光源光 谱测定，还可以用于工业和日常生活以获得经过特定对象光束的光谱特征，以获得物质特 性的相关信息

【专利附图】

【附图说明】
[0025] 图la :自然光的光谱强度分布图；
[0026] 图lb :白炽灯的光谱强度分布图；
[0027] 图lc :荧光灯的光谱强度分布图；
[0028] 图Id :白光LED的光谱强度分布图；
[0029] 图2 :本发明的光电传感装置结构方框图；
[0030] 图3 :本发明实施例一的示意图；
[0031] 图4 :本发明实施例二的示意图。
[0032] 图中：10准直单元，11，狭缝准直器，12,透镜准直器，20分光单元，21棱镜分光器， 22分光光栅分光器，30光电传感单兀，40电信号处理单兀。

【具体实施方式】
[0033] 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0034] 参见图2-图4,本发明的光电传感装置，由准直单元、分光单元、光电传感单元、电 信号处理单元组成，准直单元10到光电传感单元30之间传递的是光信号，光电传感单元30 和电信号处理单元40之间传递的是电信号。
[0035] 准直单元的作用是将杂散的入射光变为平行光或接近于平行光的器件。该器件可 以采用透镜、狭缝准直器、或者二者的组合，并尽可能最大化地将入射光传送到分光单元。 狭缝准直器是由吸收光的材料做成的一组相互平行的薄板组成，用以吸收入射光中非平行 入射方向的光。这样的准直单兀一方面可以不至于使入射光强度损失太多，从而提高系统 的对比度；同时又能得到较高平行度较高的光线，提高装置的分辨率。
[0036] 分光单元是将需要检测的经过准直单元的入射光分解为在空间或平面中按波长 的长短顺序排列的光谱器件。该器件可以采用但不限于以下两种方式：分光棱镜、分光光栅 或者棱栅（grism)。综合考虑装置分辨率和对比度的要求，优化三棱镜的顶角或光栅间距。
[0037] 光电传感单元是利用光电效应将经分光单元分解的光谱光信号转换为电信号。依 据分辨率的不同，通常采用与分辨率要求相对应的多组平行或矩阵排列光电传感器，其空 间排列范围要覆盖分光器件所分解的光谱在空间或平面中的分布。可供选择的光电传感 单元有以下但不限于以下几种：光电二极管，光电三极管，光敏电阻、光电倍增器、光电池、 CM0S、CCD、或者电荷注入传感器CID (Charge InjectionDevice)。如果采用现有工艺生产 的CM0S、CCD或CID图像传感器作为光电传感单元，需要将原有滤光片去掉或者相关的生产 工艺省掉。这些器件无论是以单个或多组排列形式被使用，都可以采用现代半导体生产技 术生产，以提高集成度，使器件小型化，同时又有比较好的一致性和可靠性。光电传感单元 的响应曲线应和分光单元所选择的波长范围相匹配，即在分光单元所选择的波长范围里有 尽可能大的响应。如在短波长范围应选用Ge基、GaN基光电传感器，而在长波长范围应选 择使用Si基光电传感器。该单元可以将分光单元的功能集成，如光电传感单元自身的波长 响应曲线足够窄，或者所要获取的光谱范围足够宽，独立的分光单元可以省略。
[0038] 以上各光学单元器件间的尺寸要相互匹配，而且还要和外部的物理结构件紧密连 接。每一个单元除了经过该级器件处理的光信号外，不应有直接穿过或漏过的杂散光信号， 以确保光电传感单元所得到的光信号为目标信号。
[0039] 电信号处理单元的作用是将由光电传感单元出来的电信号通过电路进一步转换 成能被后续处理或使用的电信号，同时提供光电传感单元所需的电能。如果从光电传感单 元得到电信号能被直接使用，只需将这些信号不做变换直接输出就可以了。但一般情况下， 光电传感器所得到的电信号较弱，需要进一步放大。有的电信号还需要被反相，以利于形成 稳定的负反馈。如果将所得电信号以数字信号输出，还需要对原有的模拟信号进行模数转 化。所得电信号还可以无线信号输出到本发明的光电传感装置以外，这就需要无线模块以 实现对信号进行编码、调制和发射。电信号处理单元通常实现但不限于以下功能：反相、模 数转换、比较器、接口、信号调制和无线发射。该电信号处理单元的电能通常由接口电路输 入、或者由内置电池提供、或者通过无线接收的方式接收外界的辐射能。
[0040] 光电传感单元和电信号处理单元可以集成在一个模块上。在半导体生产工艺允许 的情况下，电信号处理单元和光电传感单元可以采用大规模集成电路生产工艺，集成在一 起，以降低成本，节约空间，同时具有比较好的性能和可靠性。
[0041] 本发明装置中的各单元件数量可以根据需要进行灵活配置。如只需要得到特定波 长的光谱强度，仅配置一个光电传感器，安装在分光单元后对应波长的位置，即可获得。
[0042] 实施例一：
[0043] 图3是采用狭缝准直器作为准直单元，三棱镜作为分光单元、CMOS光电传感器作 为光电传感单元的光电传感装置的实现方式。
[0044] 入射光线经过狭缝准直器准直后，投射到三棱镜。三棱镜将平行入射的光像进行 分光，按照波长由长到短的顺序，依次从三棱镜中折射出来。经过三棱镜分光以后，本来看 起来一色光如白色入射光，变成了依次排列的单色光，而且这些单色光在空间中分布极有 规律。在固定的狭缝准直器条件下，棱镜的外形和材料确定以后，出射光的角度只与其波长 密切向关。因此，一旦装置之间的几何位置确定以后，在出射光一定的位置其实就对应确定 的波长，而这种对应关系是可以通过标准光谱得到标定的。
[0045] CMOS光电传感器被安装在棱镜的出射光侧。为了满足光谱和装置系统分辨率的 要求，CMOS传感器设计成多通道，每一个通道宽度对应光谱一定波长范围，而强度可以通过 CMOS光电传感器上电信号大小得到反应。这样，CMOS光电传感器每一个通道的物理位置对 应光谱波长，光谱强度则通过对应通道上测量的电信号得到。
[0046] 信号处理单元将CMOS光电传感器所得到的电信号经过放大等信号处理后，可以 直接通过端口输出。记录了波长和强度等数据，可以得到直观光谱分布信息。
[0047] 实施例二：
[0048] 图4是同样狭缝准直器作为准直单元，但是分光单元采用分光光栅、光电转换单 兀米用CMOS光电传感器的光电传感装置的实现方式。
[0049] 入射光线经过狭缝准直后，投射到分光光栅。分光光栅起到分光作用。衍射光束 由复合光谱的入射光，变成了依波长顺序排列的单色光。和实施例一一样，一旦装置之间 的几何位置确定以后，在出射光一定的位置其实就对应确定的波长的近似单色光谱。光谱 的分辨率主要由光栅的间距决定。CMOS光电传感器被安装在衍射光侧。同理，CMOS光电 传感器每一个通道的物理位置对应光谱波长，光谱强度则通过对应通道上测量的电信号得 至IJ。这里的信号处理单元除了完成基本的信号放大等功能外，还需要将信号进行编码，通过 无线发射模块发射出去。这样，光电传感装置可以放置在离接受信号端很远的地方，以实现 遥测功能。
[0050] 从本发明的原理和装置以及实例的说明可以看出，本发明提供了一种基于准直、 分光和光电传感以及电信号处理技术获取光谱的方法和装置，本方法和装置具有简单，灵 活，应用范围广等特点。但以上说明也不能限定本发明可实施的范围，凡是专业人士在本发 明基础上所作的明显或不明显的变化，修饰或改良，均应视为不脱离本发明的精神实质。
【权利要求】
1. 一种光电传感装置，包括准直单元、分光单元、光电传感单元、电信号处理单元，其特 征在于： 准直单元用于将带分析的方向的杂散入射光转换成平行的入射光； 分光单元用于将经过准直单元的平行复合光谱分解为按波长长短排列的单色光谱； 光电传感单元用于将分光单元分光后的光谱从光信号转换为电信号； 电信号处理单元用于将由光电传感单元检出的电信号转换成能为后续器件使用或识 别的电信号，并传送出光电传感装置之外； 所述分光单元位于准直单元出射光的一侧，光电传感单元位于分光单元出射光的一 侦牝电信号处理单元与光电传感单元电连接。
2. 如权利要求1所述的一种光电传感装置，其特征在于：所述准直单元包括狭缝准直 器、透镜、或者由狭缝准直器、透镜组合。
3. 如权利要求1所述的一种光电传感装置，其特征在于：所述分光单兀由三棱镜、分光 光栅、或者棱栅构成。
4. 如权利要求1所述的一种光电传感装置，其特征在于：所述光电传感单兀由若干个 平行排列的光电传感器组成。
5. 如权利要求1或4所述的一种光电传感装置，其特征在于：所述光电传感单元是由 集成电路生产工艺生产的集成型光电传感器。
6. 如权利要求1所述的一种光电传感装置，其特征在于：所述电信号处理单元在对电 信号进行转换后，通过有线或无线的方式传送出光电传感装置之外。
7. 如权利要求1或6所述的一种光电传感装置，其特征在于：所述电信号处理单元通 过集成电路生产工艺生产，集成了信号转换和传送功能。
8. 如权利要求1所述的一种光电传感装置，其特征在于：所述光电传感单兀和电信号 处理单元由集成电路生产工艺生产完成，单一芯片上集成了光电传感单元和电信号处理单 J Li 〇
9. 如权利要求1或2所述的一种光电传感装置，其特征在于：所述准直单元是由吸收 光的材料做成的一组相互平行的薄板组成，该准直单元能吸收入射光中偏离平行入射方向 的光。
【文档编号】G01J3/28GK104101429SQ201310124447
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月11日 优先权日:2013年4月11日
【发明者】刘红超, 刘知常 申请人:刘红超